110 地方特考四等 水土保持工程 坡地保育概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查坡地開發中「開挖整地」的整體規劃設計原則，重點不在單一擋土牆或排水設施，而在於如何兼顧：

1. 減少地形擾動與土砂產生。
2. 維持開挖、填方邊坡及地基穩定。
3. 妥善處理地表水、地下水與逕流。
4. 防止崩塌、沖蝕、土石流及下游災害。
5. 配合施工、環境景觀及後續維護管理。

以命題當年（民國110年）法規為準，坡地開發涉及《水土保持法》、《水土保持技術規範》及相關土地使用、建築管理規定。依法須依開發目的及規模檢具水土保持計畫或水土保持規劃書，經主管機關核定後始得施工。現行法規部分內容已修正，但本題仍以民國110年命題時之法規架構作答。

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解題方法

本題可依「基地選址 → 土方配置 → 邊坡穩定 → 排水防沖蝕 → 施工管理 → 維護監測」六個層次作答，形成完整的規劃設計邏輯。

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一、基地調查與適地性評估

開挖整地前，應先調查基地的自然條件與開發限制，包括：

• 地形、坡度、高程及地形起伏。
• 地質、岩性、節理、斷層及風化程度。
• 土壤性質、地下水位及滲流水狀況。
• 天然排水路、溪溝、集水區及洪水路徑。
• 崩塌地、地滑地、土石流潛勢溪流及其他地質敏感區。
• 周邊道路、聚落、農地、河川及公共設施。

基地選擇應避開地質不良、地下水豐沛、天然排水集中、崩塌地及地滑潛勢高的區域。不得只依現況地形是否平坦判斷開發適宜性，還須考量開挖後的長期穩定與下游安全。

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二、順應自然地形，減少開挖與填方

1. 減少地形擾動

配置建築物、道路及各項設施時，應順應原有地形，採分區、分階段及小面積開發，避免大面積一次開挖整平。

基本原則包括：

• 避免大挖方、大填方及深開挖。
• 避免形成連續長邊坡及過高單一邊坡。
• 優先保留天然稜線、谷地、溪溝及原有排水路。
• 避免任意截斷天然坡腳及改變地表逕流方向。
• 建築物及道路儘量沿等高線配置，降低地形切割。

2. 土方挖填平衡

整地應儘量採挖填平衡，減少外運棄土及外購填土。土方計畫須說明：

• 開挖土方數量。
• 填方土方數量。
• 可回填土、不可回填土及表土數量。
• 土方暫置位置。
• 剩餘土方運輸及合法處置方式。

土方平衡可用下式表示：

$$V_{\text{挖方}} \approx V_{\text{填方}}+V_{\text{外運}}-V_{\text{外購}}$$

實際計算須考量土方鬆方、夯實及壓密等體積變化，不能直接以自然狀態體積與夯實後體積相等計算。

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三、開挖及填方邊坡穩定設計

1. 開挖邊坡

開挖邊坡坡度應依土壤、岩性、地下水、開挖深度及施工方法決定。對於高邊坡、軟弱土層、破碎岩盤及地下水豐富地區，應採取分階開挖、減緩坡度、設置平台及必要的支擋措施。

設計重點包括：

• 避免形成順向坡及潛在滑動面。
• 避免坡頂堆載、坡腳淘刷及坡面集中滲水。
• 開挖應由上而下、分層分階施工。
• 每階邊坡應設置適當平台及平台排水。
• 高陡邊坡須配合擋土牆、地錨、格梁、噴凝土、植生或其他穩定工法。

2. 填方邊坡

填方區應先清除表土、樹根、腐植土及軟弱土層，必要時開挖階梯狀基礎，使新填土與原地盤良好銜接。

填方設計應注意：

• 填料須符合工程性質要求。
• 分層填築、分層夯實。
• 控制含水量及夯實度。
• 填方坡腳應設置排水及防沖蝕設施。
• 填方區不得位於天然排水路或軟弱地基上。
• 高填方須評估整體滑動、局部滑動及沉陷問題。

3. 邊坡安全係數

邊坡設計應檢核圓弧滑動、平面滑動、楔形滑動、傾倒及基礎承載等破壞模式。一般穩定分析以安全係數表示：

$$FS=\frac{\text{抗滑動力}}{\text{滑動力}}$$

安全係數須符合相關規範及工程條件要求，並依常時、暴雨、地震及地下水位上升等狀況分別檢核。設計不得只檢核乾燥及靜水狀態，因坡地災害常發生於強降雨及地下水壓增加時。

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四、完善地表水與地下水排除系統

坡地開發最重要的原則是「先排水、後開挖；截上游、排坡面、護坡腳」。

1. 截水

在開挖邊坡上方及坡頂設置截水溝，攔截上方集水區逕流，避免地表水直接流入開挖面或填方區。

截水溝須注意：

• 依集水面積及設計暴雨決定斷面。
• 溝底及溝壁應防止沖刷。
• 轉折處及出口處應設消能措施。
• 不得將大量逕流集中排至鄰地或未保護坡面。

2. 坡面排水

長邊坡宜設置階段式排水、坡面排水溝及縱向排水設施，降低坡面逕流沖蝕。排水系統應避免過長流程，並使水流安全導入下游排水系統。

3. 地下水排除

若有地下水、滲流水或坡內孔隙水壓問題，應設置：

核心觀念

本題考查「順向坡」的判定、開發可行性，以及其主要邊坡破壞機制。作答時應掌握三個重點：

1. 順向坡不是「一定不能開發」的坡地。
2. 順向坡最具代表性的破壞型態，是沿著層面、片理面等弱面發生的平面滑動。
3. 是否發生破壞，須綜合坡面與地質構造的相對方向、傾角、摩擦角、凝聚力、地下水及施工擾動判斷。

一、順向坡的定義

順向坡係指岩層、層面、片理面或其他主要不連續面之傾向，大致與自然坡面或人工邊坡的下傾方向相同，且該地質弱面朝向坡面出露。

簡言之：

岩層向哪一側傾斜，坡面就向哪一側下降，即屬順向坡。

以地質構造表示，順向坡的主要弱面具有下列特徵：

• 弱面傾向與坡面傾向大致相同。
• 弱面可朝坡面出露，形成滑動面。
• 弱面傾角通常小於坡面傾角時，較容易形成出露及滑動條件。

若以坡面傾角 $\beta$、岩層面傾角 $\alpha$ 表示，順向坡發生平面滑動的基本幾何條件通常為：

$$\alpha < \beta$$

亦即岩層面比坡面平緩，岩層面可在坡面下方出露，形成「日照出露」或「daylighting」條件。

此外，岩層面傾角須大於其抗剪強度所能抵抗的角度，通常表示為：

$$\alpha > \phi$$

其中 $\phi$ 為岩層面或弱面的摩擦角。若考慮凝聚力、節理咬合及其他抗剪因素，實際判定仍須進行邊坡穩定分析。

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解題方法

一、先以地質構造與坡面方向判定是否為順向坡

判斷順向坡不能只看岩層的走向，必須比較：

• 坡面的傾向；
• 岩層面或片理面的傾向；
• 坡面傾角與岩層面傾角的大小；
• 岩層面是否在坡面出露。

判斷流程如下：

1. 確認坡面向哪一方向下降。
2. 確認岩層面向哪一方向傾斜。
3. 若兩者傾向大致相同，為順向坡。
4. 若岩層面傾角小於坡面傾角，且岩層面在坡面出露，則具有平面滑動的幾何條件。
5. 再以摩擦角、凝聚力、地下水及外力判定是否真正會滑動。

相對而言，岩層傾向與坡面下傾方向相反者，稱為逆向坡，通常不易沿岩層面直接發生順向平面滑動，但仍可能因節理、風化、切坡及地下水而破壞。

二、順向坡可否開發

順向坡「可以開發」，但必須以地質調查及邊坡穩定分析為基礎，不能僅因判定為順向坡便直接開挖，也不能一概認定完全禁止開發。

開發前至少應調查：

• 岩性及地質構造；
• 層面、片理面、節理面的走向與傾角；
• 弱面延續性及充填物；
• 岩體完整程度與風化程度；
• 地下水位、湧水及降雨入滲情形；
• 開挖高度、坡度及坡頂載重；
• 施工期間可能造成的卸載、震動及排水改變。

開發設計可採取下列安全措施：

1. 調整邊坡幾何形狀

• 放緩坡度，使坡面傾角 $\beta$ 降低；
• 分級開挖，設置平台及截水溝；
• 避免切穿連續性很高的順向層面；
• 減少坡頂加載及坡腳過度開挖。

放緩坡度可使岩層面不易形成明顯出露，並降低沿層面方向的下滑力。

2. 強化坡腳及提供抗滑力

• 設置擋土牆、加重式擋土結構或抗滑構造物；
• 於坡腳設置護腳及壓重；
• 避免任意移除原有坡腳支撐。

坡腳支撐的主要作用，是增加抗滑力並限制滑動塊體向下移動。

3. 設置排水設施

• 坡頂截水溝；
• 坡面排水溝；
• 水平排水孔；
• 集水井及導排水系統；
• 防止地表水沿層面入滲。

地下水會在弱面上產生孔隙水壓，降低有效正應力，使摩擦抗力減小。因此，排水通常是順向坡治理的關鍵措施。

4. 設置地錨及抗滑構造

• 預力地錨；
• 岩栓；
• 抗滑樁；
• 鋼筋混凝土格梁；
• 噴凝土及掛網保護。

地錨或岩栓應穿越潛在滑動面，並錨定於穩定岩盤中，才能有效提供抗滑力。僅在坡面表面施作薄層噴凝土，對深層沿層面滑動的抑制效果有限。

三、順向坡主要邊坡破壞模式

1. 沿層面的平面滑動

這是順向坡最典型、最重要的破壞型態。

當岩層面傾向與坡面傾向相同，且岩層面向坡面出露時，岩塊可能沿層面向下滑動。其滑動面通常為：

• 岩層面；
• 片理面；
• 斷層面；
• 泥化或剪裂弱面；
• 具有黏土充填物的節理面。

簡化之無地震力平面滑動安全係數可表示為：

$$FS= \frac{cL+(W\cos\alpha-U)\tan\phi+T} {W\sin\alpha}$$

其中：

• $c$：滑動面凝聚力；
• $L$：滑動面長度；
• $W$：滑動岩塊重量；
• $\alpha$：滑動面傾角；
• $U$：滑動面上的水壓合力；
• $\phi$：滑動面摩擦角；

核心觀念

本題在考「排水設施設計逕流量」的估算。排水溝通常需要掌握集水區在設計降雨事件下的「尖峰逕流量」，以供排水溝斷面及坡度設計使用。

在坡地保育與水土保持工程中，對於面積較小、反應時間較短的集水區，通常採用合理化公式（Rational Method）估算尖峰逕流量：

$$Q_p=\frac{CIA}{360}$$

其中：

• $Q_p$：設計尖峰逕流量，單位為 $\mathrm{m^3/s}$。
• $C$：逕流係數，無因次，反映降雨轉變為地表逕流的比例。
• $I$：集流時間 $T_c$ 所對應的設計降雨強度，單位為 $\mathrm{mm/hr}$。
• $A$：排水溝上游集水面積，單位為公頃（ha）。

若集水面積採平方公里，公式則為：

$$Q_p=0.278CIA$$

其中 $A$ 的單位為 $\mathrm{km^2}$。

本題未提供集水面積、土地利用、設計重現期及降雨資料，因此應說明完整估算程序；實際數值須代入測量及水文資料計算。以下以合理化公式為定案解法。相關法規及技術規範以命題當年（民國110年）法規為準。

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解題方法

一、劃定排水溝的集水區

先以排水溝計算斷面為控制點，依地形等高線、山稜線、谷線及既有排水路，劃定所有會流入該排水溝的集水區範圍。

應求得：

$$A=A_1+A_2+\cdots+A_n$$

若排水溝沿線有多個支流或不同土地利用區，應將各分區分別計算，再予以合併。

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二、決定逕流係數 $C$

逕流係數與地表覆蓋及入滲能力有關。一般而言：

• 柏油、混凝土等不透水面：$C$ 較大。
• 裸露地、壓實地：$C$ 偏大。
• 草地、林地及透水性良好地區：$C$ 較小。
• 坡度越陡、土壤入滲能力越差，逕流係數通常越大。

若集水區內土地利用不一致，應採加權平均：

$$C_w=\frac{\sum C_iA_i}{\sum A_i}$$

其中 $C_i$ 為第 $i$ 分區的逕流係數，$A_i$ 為該分區面積。

設計時不可直接以整個區域的平均土地利用概略代替，應特別注意道路、建築物、裸地、崩塌地及高密度開發區，因其逕流係數通常顯著高於林地。

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三、求集流時間 $T_c$

集流時間是指降雨開始後，集水區最遠點的逕流抵達計算斷面的時間。合理化公式所使用的降雨強度，必須取與集流時間相同延時的降雨強度。

集流時間通常包括：

$$T_c=T_o+T_s+T_c'$$

其中：

• $T_o$：坡面漫流時間。
• $T_s$：淺溝或小溝流動時間。
• $T_c'$：正式排水路或天然河道中的流動時間。

實務上可依地形、坡度、流路長度、地表粗糙度及流速估算。各段流動時間可用：

$$t_i=\frac{L_i}{V_i}$$

因此：

$$T_c=\sum_i\frac{L_i}{V_i}$$

其中 $L_i$ 為各流路長度，$V_i$ 為該段平均流速。

集流時間的判定十分重要。若降雨延時小於 $T_c$，集水區最遠處的逕流尚未全部抵達控制點；若降雨延時約等於 $T_c$，較容易形成全集水區同時對控制點貢獻的尖峰流量。

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四、決定設計降雨強度 $I$

依工程重要性、排水設施失效所造成的災害程度及規範要求，決定設計重現期，例如一定年限的重現期降雨。

再依下列資料取得降雨強度：

1. 設計重現期。
2. 降雨延時，通常取 $T_c$。
3. 工程所在地的強度—延時—頻率曲線（IDF曲線）或相關降雨強度公式。

因此：

核心觀念

本題考查土壤與岩石材料的剪力破壞準則。可採用最常見的 Mohr–Coulomb 破壞準則，其基本式為：

$$\tau_f=c+\sigma_n' \tan\phi$$

其中：

• $\tau_f$：破壞面上的極限剪應力。
• $c$：凝聚力或黏聚力。
• $\sigma_n'$：破壞面上的有效正應力。
• $\phi$：內摩擦角。
• $\tan\phi$：剪應力隨有效正應力增加而增加的摩擦斜率。

此準則表示：材料是否破壞，取決於破壞面上的剪應力是否達到該面所能提供的抗剪強度。當

$$\tau \geq \tau_f$$

即表示發生剪切破壞。

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解題方法

作答時可依「提出準則、寫出公式、解釋物理意義、說明參數」四個部分回答：

1. 指出採用 Mohr–Coulomb 破壞準則。
2. 寫出抗剪強度公式。
3. 說明破壞準則代表剪應力與正應力之間的關係。
4. 分別解釋 $c$、$\phi$、$\sigma_n'$ 與 $\tau_f$ 的意義，並補充在土壤與岩石中的適用方式。

Mohr–Coulomb 準則在 $\tau-\sigma_n'$ 平面上是一條直線，其截距為 $c$，斜率為 $\tan\phi$：

$$\tau_f=c+\sigma_n'\tan\phi$$

因此，有效正應力越大，顆粒或岩石面之間的正向壓力越大，摩擦阻抗通常越高。

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參數與物理意義

一、凝聚力 $c$

$c$ 是抗剪強度包絡線在剪應力軸上的截距，代表在有效正應力為零時，材料仍可提供的抗剪強度。

對土壤而言，$c$ 可能來自：

• 黏土顆粒間的電化學吸引力。
• 膠結物質造成的黏結。
• 部分飽和土壤的基質吸力。
• 土壤結構與膠結作用。

對岩石而言，$c$ 可代表：

• 岩石礦物顆粒間的膠結強度。
• 岩體內部裂隙面的黏結力。
• 節理面粗糙度與咬合作用所折算出的等效強度。

工程上須注意，試驗所得的 $c$ 不一定都是材料的真正膠結力，也可能包含節理粗糙、剪脹及結構效應所形成的「表觀凝聚力」。

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二、內摩擦角 $\phi$

$\phi$ 是材料摩擦特性的指標，代表有效正應力增加時，抗剪強度增加的程度。

土壤的內摩擦角主要受到下列因素影響：

• 顆粒材料種類。
• 顆粒大小與級配。
• 顆粒形狀及粗糙程度。
• 土壤密度。
• 剪切時的排水條件。
• 剪脹或剪縮行為。

砂土通常以摩擦阻力為主，$c$ 接近零，但具有一定的 $\phi$。密砂因顆粒互相咬合，剪切時容易剪脹，通常具有較大的等效摩擦角。

岩石的 $\phi$ 則可表示岩石本體或節理面的摩擦特性。節理面越粗糙、嵌合越明顯，剪切時產生的爬坡與剪脹作用越強，等效摩擦角通常越大；節理面遭受風化、磨光或充填軟弱材料後，$\phi$ 會降低。

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三、有效正應力 $\sigma_n'$

有效正應力是實際作用於土粒骨架或岩石接觸面的正向應力。對飽和土壤而言：

$$\sigma_n'=\sigma_n-u$$

其中：

• $\sigma_n$：總正應力。
• $u$：孔隙水壓。

因此，孔隙水壓上升會使有效正應力降低，進而降低抗剪強度。水土保持工程中，降雨入滲、地下水位上升及排水不良，均可能造成 $u$ 增加，使邊坡穩定性降低。

若採總應力分析，則可寫成：

$$\tau_f=c+\sigma_n\tan\phi$$

但此時的 $c$ 與 $\phi$ 必須是對應於該總應力試驗條件所得的參數，不可直接與有效應力參數混用。

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四、極限剪應力 $\tau_f$